陳曉麗 楊其長 王利春 李友麗 郭文忠

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所， 成都 610213)

0 引言

光是植物生長發(fā)育的能量來源及代謝調(diào)節(jié)信號，通過光質(zhì)、光強以及光周期三方面作用于植物[1-3]。其中，紅光和藍光光質(zhì)因其對應(yīng)于植物光合色素最大吸收波段而成為近年來的研究重點[4-8]。研究表明，紅藍光同時照射植物的效果往往優(yōu)于紅光或藍光單色光照射效果[3，9-11]。然而，一些研究認為，紅光和藍光在植物某些生理活動中的作用可能相反、也可能一致[12-14]，植物對紅光和藍光的需求機制以及紅、藍光的作用途徑之間的關(guān)系尚不明確。隨著LED及光配方系統(tǒng)調(diào)控硬件的深度開發(fā)，光配方不再局限于對光質(zhì)、光強度以及光期的調(diào)節(jié)，而是可以拓展到供光模式的調(diào)節(jié)，如高頻率的交替供光、間歇供光等,這些為深入研究紅、藍光作用途徑之間的關(guān)系提供了硬件保障。

在總光量一致的基礎(chǔ)上，漸變式光強照射下甜土豆的干質(zhì)量是連續(xù)光照射下的1.1倍，漸變式供光模式下光源的能量利用率得到了提高[15]。研究顯示，與恒定的連續(xù)光照射相比，強、弱交替供光提高了辣椒葉黃酮醇的積累，同時刺激了花青素和類胡蘿卜素的合成，而且這種交替照射似乎也有利于降低單一藍光對植物的負面作用[16]。有研究指出，在日累積光積分相等的前提下，與紅藍同時供光相比，紅、藍光交替供光顯著促進了生菜植株的生長[17]。還有研究表明，在相同能耗基礎(chǔ)上，與紅藍光同時供光相比，以8 h和1 h為間隔進行紅光和藍光交替照射的處理，其生菜的生物量有所提高[18]。以上研究表明，與常規(guī)連續(xù)供光模式相比，非連續(xù)供給的紅藍光能夠通過優(yōu)化產(chǎn)量或某些指標而達到提升光源電能利用率的目的。除了常見的光因素(光質(zhì)、光強、光周期)之外，供光模式(漸變供光、交替供光、間歇供光)也對植物生長和生理過程產(chǎn)生較大的影響，并且有提高人工光源電能利用率的可能，因此，綜合考慮植物產(chǎn)出效益和植物工廠系統(tǒng)電能利用效率，研究相同能耗條件下交替供光策略的潛在優(yōu)勢具有重要的實際應(yīng)用價值。

本文設(shè)置不同交替間隔時長的紅藍交替光處理，以紅藍光同時供光為對照，探究不同交替模式對生菜能量利用率及葉片光合特性、熒光特性的影響，以期揭示紅、藍光在作用于植物生長發(fā)育過程中的相互關(guān)系，為植物工廠高能量利用率的供光方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心的全人工光型植物工廠(長×寬×高：5 m×4 m×2.8 m)中進行，試驗材料為奶油生菜(LactucasativaL.)。將生菜種子播種至海綿塊中育苗，14 d后定植到不同光環(huán)境的水培種植箱中，種植密度為25株/m2。植物工廠內(nèi)晝/夜溫度設(shè)置為24℃/20℃，空氣相對濕度65%，CO2摩爾比700 μmol/mol，霍格蘭營養(yǎng)液[19]pH值、EC分別保持在6.5和1.45 mS/cm左右，營養(yǎng)液7 d更換一次。從播種日起第54天(即定植后40 d)進行收獲并測定收獲指標。

試驗共8個處理，試驗光源采用北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研制的LED植物光配方調(diào)控系統(tǒng)，光源垂直懸掛于植物頂部。該系統(tǒng)可以設(shè)置不同光質(zhì)、光量配比以及供光模式和照射頻率。定植當天即開始不同的光處理照射。光處理如表1所示，共設(shè)5個紅藍交替光處理、1個紅藍光同時供光處理以及純紅、純藍光處理。純紅光與純藍光的處理中，紅光和藍光光強度均為200 μmol/(m2·s)；其他處理中紅、藍光光強度分別設(shè)定為180、20 μmol/(m2·s)，即整個生育期內(nèi)紅光與藍光的光量子數(shù)比為9。

表1 紅藍交替光試驗處理

關(guān)于紅藍光交替處理模式的設(shè)置和命名方法見表1。在每天16 h的光周期里，紅、藍光每5 min切換1次，交替頻率為96次/d，處理記作R/B(5 m)，同理紅、藍光交替間隔時間為10、15、30、60 min分別記作R/B(10 m)、R/B(15 m)、R/B(30 m)和R/B(60 m)，16 h光期里對應(yīng)的紅藍光交替頻率則分別為48、32、16、8次。純紅光和純藍光處理分別記作R、B，紅藍光同時供光的處理為對照，記為RB。關(guān)于處理間的光量子數(shù)和耗電量見表2。本試驗中紅藍光同時供光的處理RB每天的光期為8 h，這是為了該處理作為對照與其他交替紅藍光處理具有相等的總光量和總耗電量，以進行后期各種指標的對比。

表2 不同處理下的日累積光量子數(shù)及耗電量

2 測定與分析

2.1 光合色素測定

從播種日起第54天取樣測定光合色素，每處理隨機選取6株生菜植株作為待測樣品。葉綠素和類胡蘿卜素含量測定采用分光光度法[20]；數(shù)據(jù)處理采用 Microsoft Excel 2013，顯著性差異分析采用SAS統(tǒng)計分析軟件。

2.2 光合測定

采用便攜式光合儀(CIRAS-3型，PPSYSTEMS，美國)，從播種日起第54天從各處理隨機選取生菜植株，統(tǒng)一選定第3片完全展開葉供光合測定。

2.3 熒光測定

從播種日起第54天從各處理隨機選取生菜植株，統(tǒng)一選定第3片完全展開葉供熒光測定。采用連續(xù)激發(fā)式熒光儀(Handy-PEA型，Hansatech, 英國) 測量快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線 (O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線)。葉片先暗適應(yīng)20 min,然后暴露在飽和脈沖光 (3 000 μmol/(m2·s))下1～2 s，分析獲得的O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線，讀取并計算PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率及能流分配參數(shù)等[21-23]，參數(shù)分別為：Fo(20 μs時熒光, O相)、Fk(300 μs時熒光, K相)、Fj(2 ms時熒光, J相)、Fm(最大熒光, P相)、RC(反應(yīng)中心)、ABS(天線色素吸收的光能)、Vj(J點的相對可變熒光)、Mo(O-J-I-P熒光誘導(dǎo)曲線的初始斜率)、CS(單位面積)。相關(guān)計算公式為：

暗適應(yīng)下的PSⅡ最大光化學(xué)效率

φ=(Fm-Fo)/Fm

(1)

Ψo=1-Vj

(2)

單位面積吸收(ABS/CS)、捕獲(TRo/CS)、用于電子傳遞(ETo/CS)和熱耗散(DIo/CS)的光能

ABS/CS≈Fo

(3)

TRo/CS=φ(ABS/CS)

(4)

ETo/CS=Ψo(TRo/CS)

(5)

DIo/CS=ABS/CS-TRo/CS

(6)

單位面積有活性的反應(yīng)中心的密度

RC/CS=φ(Vj/Mo)(ABS/CS)

(7)

以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)

PⅠabs=(RC/ABS)[φ/(1-φ)][Ψo/(1-Ψo)]

(8)

2.4 能量利用率計算

電能利用率(EUE)的計算公式為

(9)

式中EUEi——電能利用率

DWi、DWi-1——第i、i-1次取樣時，生菜植株地上部分平均干質(zhì)量，g/株(本試驗將定植時幼苗干質(zhì)量忽略不計，即DW0≈0)

Wche——每克干質(zhì)量對應(yīng)的化學(xué)能，取2×104J/g[24]

S——栽培面積，m2

Di——第i次取樣時的栽培密度，株/m2

P——光源的實時工作功率，W

t——第i次和第i-1次取樣之間的時間間隔，s

光能利用率(LUE)的計算公式為

(10)

式中LUEi——光能利用率

Wr——單位面積植株冠層接受到的光合有效輻射能，W/m2

單位面積里生產(chǎn)單位質(zhì)量的生菜所需要的光量子數(shù)p(μmol/g)計算公式為

(11)

式中PPFD——光強度，μmol/(m2·s)

T——整個生育期對應(yīng)光質(zhì)的光照射時間，s

Wj——整個生育期生菜地上部分的平均干質(zhì)量，g/株

D——栽培密度，株/m2

單位面積里生產(chǎn)單位質(zhì)量的生菜所消耗的電量K(J/g)計算公式為

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 交替紅、藍光照射下生菜的LUE和EUE

由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異顯著，短線表示標準誤差，下同)可知，交替紅藍光照射模式對生菜光能利用率LUE有一定的影響，較紅藍光同時供光的對照RB而言，所有交替處理均顯著提高了生菜LUE，提高幅度為34.3%～78.6%。所有處理中，R/B(30 m)下的生菜LUE最高，達到5.84%，R/B(15 m)次之，與最大值無顯著性差異；其他處理下LUE均顯著小于最大值，其中，純藍光處理下LUE為2.26%，顯著低于其他任意處理。

由圖2可知，較對照RB而言，所有交替處理的生菜EUE均顯著提高，提高幅度為34.6%～79.4%。所有處理中，R/B(30 m)下的生菜EUE最高，達到1.92%，R/B(15 m)和R/B(60 m)次之，與最大值無顯著性差異。純藍光下LUE顯著低于其他處理，但EUE卻不是最低的，這可能是因為藍光波長短、光子能量大，造成LUE計算時分母的值最大。

由表3可知，本試驗中，每平方米種植面積里，生產(chǎn)單位干、鮮質(zhì)量生菜所需光量子數(shù)最少，分別為1.82、0.08 mol/g，生產(chǎn)單位干、鮮質(zhì)量生菜所需的耗電量最少，分別為1.04、0.05 MJ/g，且p和K的最小值均出現(xiàn)在R/B(30 m)處理下，最大值是最小值的1.6～2.1倍。與紅藍光同時供光的處理相比，所有交替光處理下生菜地上部鮮質(zhì)量均有所提高，提高幅度為18.6%～53.6%。

表3 生產(chǎn)單位質(zhì)量生菜所消耗的光量子數(shù)及電量

3.2 交替紅、藍光照射下生菜光合色素含量

圖3顯示了不同交替紅、藍光照射下，生菜葉片葉綠素a、b以及類胡蘿卜素的含量。與紅藍光同時供光的處理RB相比，交替光處理均顯著提高了葉綠素和類胡蘿卜素的含量；交替光的5個處理之間，紅、藍光交替間隔從5 min到60 min的變化過程中，生菜葉綠素和類胡蘿卜素含量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，R/B(5 m)處理下葉綠素和類胡蘿卜素含量均最高，而最低值均出現(xiàn)在R/B(30 m)處理下；在所有處理之間對比可見，純藍光下葉片葉綠素a、葉綠素b最高，但R/B(5 m)處理下葉綠素a、葉綠素b含量均與最大值之間無顯著性差異，同時，R/B(5 m)處理下類胡蘿卜素含量顯著高于其他任意處理，這表明，高頻次的紅藍光交替可能刺激了類胡蘿卜素在葉片中的合成和積累。

3.3 交替紅、藍光照射下生菜葉片的光合及熒光特性

3.3.1不同處理下生菜葉片的光合特性

由表4可見，葉片凈光合速率在R/B(30 m)下表現(xiàn)為最大，其次為R/B(60 m)和B處理，三者之間葉片凈光合速率無顯著性差異；從5 min到30 min的紅藍光交替處理里，隨交替間隔的延長，葉片凈光合速率有逐漸提高的趨勢。純藍光下葉片蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度均最大，其中，葉片蒸騰速率顯著高于其他任意處理；純紅光下胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度均最低，其中胞間CO2濃度顯著低于其他任意處理；所有交替光處理下胞間CO2濃度無顯著性差異。所有處理中，葉片光合作用水分利用效率在R/B(30 m)處理下最高，在B處理下最低，最高和最低值與其他處理相比均達到顯著水平?？傮w來看，較紅藍同時供光的對照RB而言，R/B(30 m)處理下生菜葉片凈光合速率和水分利用效率均顯著提高。

表4 不同交替光處理下生菜葉片光合參數(shù)

3.3.2不同處理下生菜葉片的熒光特性

植物體內(nèi)葉綠素熒光的變化一定程度上反映了環(huán)境因子對植物的影響，通過對不同環(huán)境條件下快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線的分析，可以深入探究環(huán)境差異對以PSⅡ為主的光合機構(gòu)的影響以及光合機構(gòu)對環(huán)境的適應(yīng)機制。

φ反映了暗適應(yīng)后的最大光化學(xué)效率，是能夠表現(xiàn)植物生長脅迫和光抑制的一個指標。由表5可見，所有處理下生菜葉片φ均大于0.8，說明不同處理下的植株均未受到生長脅迫。這表明，交替光環(huán)境對于生菜植株來說并沒有構(gòu)成光環(huán)境脅迫。Vj反映了照光2 ms時PSⅡ有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，Ψo則反映了照光3 ms時PSⅡ有活性的反應(yīng)中心的開放程度。結(jié)果表明，R/B(30 m)和B處理下PSⅡ有活性的反應(yīng)中心的開放程度最高，R/B(10 m)和R/B(15 m)次之。RC/CSo表示單位面積上的反應(yīng)中心的數(shù)量，結(jié)果表明，R/B(30 m)和B處理下RC/CSo最高，二者無顯著差異，但顯著高于其他處理。PⅠabs是以吸收光能為基礎(chǔ)的光合性能指數(shù)，能夠反映植物光合機構(gòu)的狀態(tài)，由于PⅠabs對某些脅迫的敏感度高于φ，因此PⅠabs被認為是能夠更好地反映環(huán)境對光合機構(gòu)產(chǎn)生影響的綜合指標。結(jié)果表明，PⅠabs在純藍光處理下最大，顯著高于其他處理，而在純紅光處理下最小，顯著低于其他處理。這說明，藍光有利于提高光合機構(gòu)性能參數(shù); 交替光處理中，15、30、60 min處理下的葉片PⅠabs顯著大于5、10 min的處理，這可能說明交替頻率太高不利于光合機構(gòu)的有效運轉(zhuǎn)?？傮w來看，較紅藍同時供光的對照RB而言，R/B(30 m)處理下生菜葉片Ψo、RC/CSo、PⅠabs均顯著提高。

表5 不同交替光處理下生菜葉綠素熒光動力學(xué)參數(shù)

為了更確切地反映不同光處理下生菜植株光合器官對光能的吸收、耗散、傳遞以及轉(zhuǎn)化等情況，本研究測定計算了光合機構(gòu)的比活性，即單位受光面積的各種量子效率，包括單位面積吸收(ABS/CS)、捕獲(TRo/CS)、用于電子傳遞(ETo/CS)和熱耗散(DIo/CS)的光能量子效率等。結(jié)果表明(表6)，R/B(30 m)處理下ABS/CS、TRo/CS、ETo/CS、DIo/CS均最高，尤其是最終用于電子傳遞的量子效率ETo/CS顯著高于其他處理。這可能表明，30 min間隔的交替紅光照射有效地提高了整個PSⅡ光合機構(gòu)的比活性。對比ABS/CS、TRo/CS、DIo/CS與ETo/CS可以發(fā)現(xiàn)，大部分處理下，光能的吸收、捕獲、傳遞以及熱耗散基本呈現(xiàn)一致趨勢，也就是說吸收光能多的處理，一般而言捕獲到的光能、用于電子傳遞的以及熱耗散的光能均較高。但是，純紅光處理下，生菜葉片最終用于電子傳遞的光能量子效率ETo/CS明顯低于吸收、捕獲和熱耗散的相對水平，相反，純藍光下ETo/CS則有升高趨勢，這表明，與紅光相比，藍光光量子的能量更有利于進入實質(zhì)的光合電子傳遞鏈中。

表6 交替紅藍光對葉片PSⅡ反應(yīng)中心能流分配的影響

4 討論

與紅藍光同時照射的處理RB相比，所有交替光處理下的生菜地上部鮮質(zhì)量、LUE、EUE均有所提高，提高幅度與交替間隔時間有關(guān)，30 min交替間隔的處理下3個指標均最大，這表明除了光質(zhì)外，還可以通過交替照射來調(diào)節(jié)葉片內(nèi)同化物質(zhì)的積累。SHIMOKAWA等[17]的研究中，不同R/B交替間隔的生菜鮮質(zhì)量從大到小順序為12 h/12 h、3 h/3 h、24 h/24 h、6 h/6 h、1 h/1 h、48 h/48 h。因此，可以推測，交替R/B可能影響生菜的生長，并且結(jié)果隨交替間隔(即交替頻率)不同而異。本試驗中，在純藍光下生菜葉片凈光合速率與最大值無顯著差異，且PⅠabs表現(xiàn)為所有處理間最大值，這說明藍光量子的能量更有利于進入實質(zhì)的光合電子傳遞鏈中，藍光有利于提高光合機構(gòu)的性能參數(shù)和單個葉片的光合能力，然而藍光下生菜LUE和EUE卻最低或與最低值無顯著性差異，這可能是因為藍光下葉片數(shù)少，總?cè)~面積及整體光合能力受到限制。此外，R/B(5 m)處理下生菜葉片類胡蘿卜素含量顯著高于其他任意處理，高頻次的紅藍光交替可能刺激了類胡蘿卜素在葉片中的的合成和積累，有利于對光合器官的保護。

在葉綠素熒光分析結(jié)果中可知，所有交替光處理下生菜葉片φ均大于0.8，這說明交替變化的光環(huán)境對于生菜植株來說并沒有構(gòu)成光環(huán)境脅迫。與紅藍光同時供光的對照RB相比，R/B(30 m)處理下生菜葉片凈光合速率、水分利用效率、Ψo、RC/CSo、PⅠabs、ABS/CS、TRo/CS、ETo/CS均得到顯著提高，該處理下PSⅡ光合機構(gòu)的比活性整體最高，這可能是該處理下生菜鮮質(zhì)量、LUE、EUE較大的原因之一。與紅藍光同時供光的對照RB相比，R/B(30 m)處理下生菜葉片凈光合速率、水分利用效率、Ψo、RC/CSo、PⅠabs、ABS/CS、TRo/CS、ETo/CS均得到顯著提高，該處理下PSⅡ光合機構(gòu)的比活性整體最高。交替光照射的處理之間，隨交替間隔的延長，葉片凈光合速率有逐漸提高的趨勢。

紅光和藍光通過光受體影響植物的光反應(yīng)，目前發(fā)現(xiàn)的紅光受體有5種光敏色素(phyA～phyE)，藍光受體包括3種隱花色素(cry1、cry2、cry3)和2種向光素(phot1、phot2)[25-27]。光受體之間的關(guān)系可能是協(xié)同的或者拮抗的，這與光環(huán)境及其特定的植物生理活動有關(guān)，也就是說，R和B的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在某些情況下是獨立的，但在其他情況下是相互作用的，可能存在光受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的串擾。文獻[17]認為，R和B光受體的激活途徑在交替模式和同時照射模式之間可能不同，因此，如果R和B之間的光受體響應(yīng)存在一些沖突，則交替照射可以準確地解決沖突，只要不同的光以適當?shù)拈g隔(例如，從紅光切換到藍光)照射可能使得單色R或B可以充分發(fā)揮其功能而沒有負面效應(yīng)，這可能是交替照射模式下產(chǎn)生栽培益處的一種可能的解釋。

5 結(jié)論

(1)與紅藍光同時供光的處理RB相比，所有交替光處理下的生菜地上部鮮質(zhì)量、LUE、EUE均有所提高，其中R/B(30 m)處理下鮮質(zhì)量、LUE、EUE均最高，分別為115.50g、5.84%、1.92%；純紅光下，生菜地上部生物量最大，但LUE和EUE均顯著小于R/B(30 m)處理；純藍光下，生菜地上部生物量在處理間居中，但LUE和EUE在處理間最低或與最低值無顯著性差異。

(2)所有交替光處理下生菜葉片φ均大于0.8，說明交替變化的光環(huán)境對生菜植株并沒有構(gòu)成光環(huán)境脅迫。與紅藍光同時供光的對照RB相比，R/B(30 m)處理下生菜葉片凈光合速率、水分利用效率、Ψo、RC/CSo、PⅠabs、ABS/CS、TRo/CS、ETo/CS均得到顯著提高，該處理下PSⅡ光合機構(gòu)的比活性整體最高。交替光照射的處理之間，隨著交替時間間隔的延長，葉片凈光合速率有逐漸提高的趨勢。